以下文章来源于低维 昂维 ，作者低维 昂维
二硫化钼（MoS2）是一种备受瞩目的二维材料，具有出色的性能和广阔的应用前景。它由一层层的钼原子和硫原子组成，呈现出特殊的层状结构。MoS2的独特特性包括优异的电子迁移率、光学特性以及机械和热学性质，这使得它在微电子和光电子领域具有巨大的潜力。
然而，以往的MoS2制备方法通常需要较高的温度，这与CMOS工艺的热预算存在冲突。在传统的方法中，MoS2通常通过化学气相沉积（CVD）或物理气相沉积（PVD）等技术在高温下生长。这些高温条件对于CMOS工艺而言是不可行的，因为CMOS芯片在制造过程中已经完成了活动器件层的构建，并且无法承受再次高温处理的影响。
这一技术限制严重限制了MoS2的集成应用。在追求更高性能和更先进的微电子技术节点的同时，科学家们面临着克服这一难题的挑战。学术界和产业界迫切需要一种低温制备MoS2的方法，以实现与CMOS工艺的兼容性，并将其集成到现有的芯片制造流程中。
近日，来自美国MIT孔敬教授团队和Tomás Palacios教授团队联合瑞典爱立信的研究人员在Nature Nanotechnology上以Low-thermal-budget synthesis of monolayer molybdenum disulfide for silicon back-end-of-line integration on a 200 mm platform为题发表重磅文章（第一作者：朱家迪），报道了该研究团队通过使用了金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术，可以在低于300°C的温度下控制沉积MoS2。这项研究的关键在于他们设计了一种特殊的炉子装置，将需要高温的气态前体热分解区域（约800°C）与低温的基片支架（低于300°C）分离开来。这种设计使得MoS2可以在CMOS晶片的全面积上进行快速生长。研究人员还证实，通过这种低温生长方法得到的MoS2晶体管具有与在较高温度下生长的MoS2薄膜制备的器件相当的高电子迁移率。在CMOS晶片上实现MoS2的低温生长为半导体技术开辟了新的机遇，它实现了二维材料与现有CMOS电路的集成，为使用二维材料实现三维集成电路（IC）铺平了道路。
图1首次实现MoS2在低于300℃的条件下生长。
图源：Nat. Nanotechnol. 18, 456–463 (2023).
传统上，制备二硫化钼（MoS2）通常需要较高的温度。在过去的研究中，研究人员常常采用热解或热蒸发的方法，在高温下使钼和硫元素发生反应，生成MoS2薄膜。然而，这种高温制备方法在与互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺相兼容的过程中存在一些问题。
首先，CMOS工艺对温度有严格的要求。在CMOS芯片的制造过程中，温度管理是至关重要的。高温处理可能会导致CMOS器件的结构和性能发生变化，甚至引起材料的扩散或不均匀沉积。因此，使用传统的高温制备方法来在CMOS晶片上制备MoS2存在不可避免的矛盾。
其次，高温制备方法可能会引起界面反应和杂质的形成。在高温下，钼和硫元素之间的反应速率会增加，导致杂质的掺入和界面的不稳定性。这对于CMOS工艺来说是一个严重的问题，因为杂质和不稳定的界面会影响器件的性能和可靠性。
此外，高温制备方法还限制了MoS2与CMOS工艺的集成。由于高温处理对CMOS晶片造成的限制，使得在现有CMOS电路上直接生长MoS2薄膜变得困难。这种局限性限制了在CMOS芯片中利用MoS2的应用和功能扩展。
为了克服这些问题，研究人员致力于开发低温制备MoS2的方法，以实现其在CMOS晶片上的集成。其中，金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术被证明是一种有效的低温制备方法。该方法通过在较低的温度下控制化学反应，使得钼和硫元素能够在CMOS晶片上沉积成MoS2薄膜。
图2. 金属有机化学气相沉积（MOCVD）方法能够在较低的温度下制备MoS2。
图源：Nat. Nanotechnol. 18, 456–463 (2023).
这一低温生长MoS2的突破对于半导体技术具有重要意义。首先，它与CMOS工艺的后端线（BEOL）处理步骤兼容，为将2D晶体管与现有的CMOS电路集成打开了可能性。这不仅为新的芯片架构和功能提供了发展空间，还为半导体行业带来了全新的可能性。
其次，低温生长MoS2的方法为实现三维集成电路（ICs）开辟了新的途径。通过将传统的硅晶体管替换为MoS2晶体管，可以显著提高CMOS技术的集成密度。二维材料的特殊性质，如几乎平坦的形态和全环绕结构，使其在门长度缩小方面相对于硅基晶体管具有优势。
此外，低温沉积的MoS2为各种应用提供了广阔的可能性。它可以在CMOS芯片上制造基于2D材料的存储单元、逻辑电路和可变电阻器件（memristors）。这有助于克服传统冯·诺依曼计算体系结构的局限性，并实现脑启发式的神经形态系统的发展。此外，将2D材料与CMOS技术集成，可以推动数据通信领域的主动光子学发展，并实现具有优越光电、机械、化学或生物传感性能的混合系统。
图3. MoS2 晶体管与硅晶体管的 BEOL 集成。
图源：Nat. Nanotechnol. 18, 456–463 (2023).
尽管在在CMOS晶片上实现低温生长二硫化钼（MoS2）的研究中取得了重要的突破，但二维材料在芯片中的大规模应用仍然面临着一些挑战。这些挑战包括开发适用于各种2D材料的低温制备工艺以及对大面积生长的转移技术进行进一步改进。
首先，对于每种不同的2D材料，需要针对其特定的生长机制和特性开发适用的低温制备工艺。虽然低温生长MoS2的方法已经取得了重要进展，但不同的2D材料在生长过程中可能具有不同的要求和反应机制。因此，需要深入研究和优化适用于各种2D材料的制备方法，以实现可控和高质量的生长。
其次，对于实现大面积MoS2生长，转移技术需要进一步改进。尽管目前已经存在一些转移技术用于将2D材料从生长衬底上转移到目标基片上，但针对大面积MoS2的转移仍然存在一定的挑战。大面积2D材料的转移可能导致损伤、污染或结构变形等问题。因此，需要寻找更加高效和可靠的转移方法，以实现大面积2D材料的可控转移和集成。
为了克服这些挑战，我们需要进一步加强对2D材料生长和转移过程的研究。这涉及到对生长机制、材料性质以及界面相互作用等方面的深入理解。通过结合实验和理论模拟，可以更好地理解低温生长MoS2的机制，并开发出更有效的制备方法。此外，还需要探索新的转移技术，以提高大面积2D材料的转移效率和质量。
随着时间的推移，随着对2D材料研究的不断深入和发展，我们有理由相信在克服这些挑战的过程中，半导体技术将迎来更多的创新和突破。低温生长MoS2为半导体技术的发展提供了新的机遇和方向，为集成2D材料与现有CMOS电路、增强芯片功能以及实现低成本柔性电子器件提供了巨大的潜力。通过不断改进和创新，我们有望看到MoS2等2D材料在未来半导体领域的广泛应用和商业化落地。
参考文献：
Zhu, J., Park, JH., Vitale, S.A. et al. Low-thermal-budget synthesis of monolayer molybdenum disulfide for silicon back-end-of-line integration on a 200 mm platform. Nat. Nanotechnol. 18, 456–463 (2023).
https://doi.org/10.1038/s41565-023-01375-6
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